Bacteriële 'nanodraden' kunnen helpen bij de ontwikkeling van groene elektronica

Gemanipuleerde eiwitfilamenten die oorspronkelijk door bacteriën werden geproduceerd, zijn door wetenschappers gemodificeerd om elektriciteit te geleiden. In een studie onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Kleinonthulden onderzoekers dat eiwit-nanodraden – die zijn gemodificeerd door toevoeging van een enkele verbinding – elektriciteit over korte afstanden kunnen geleiden en energie kunnen benutten uit vocht in de lucht.

“Onze bevindingen openen mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzame en milieuvriendelijke elektrische componenten en apparaten, gebaseerd op eiwitten”, zegt dr. Lorenzo Travaglini, hoofdauteur van het artikel. “Deze kunstmatige nanodraden zouden op een dag kunnen leiden tot innovaties op het gebied van energiewinning, biomedische toepassingen en omgevingswaarneming.”

Ontwikkelingen op interdisciplinair gebied waarin eiwittechnologie en nano-elektronica worden gecombineerd, zijn ook veelbelovend voor de ontwikkeling van geavanceerde technologieën die de kloof tussen biologische systemen en elektronische apparaten overbruggen.

“Uiteindelijk is ons doel om de door bacteriën geproduceerde materialen aan te passen om elektronische componenten te creëren. Dit zou kunnen leiden tot een heel nieuw tijdperk van groene elektronica, dat zou helpen een duurzamere toekomst vorm te geven”, zegt Dr. Travaglini, die wordt begeleid door Dr. Dominic Glover in het SYNbioLAB van de School voor Biotechnologie en Biomoleculaire Wetenschappen.

Inspiratie halen uit de natuur

Elektriciteit ontstaat door de beweging van elektronen – kleine deeltjes die een elektrische lading dragen – tussen atomen.

“Veel gebeurtenissen in de natuur vereisen de beweging van elektronen en zijn de bron van inspiratie voor nieuwe technieken voor het oogsten van elektriciteit”, zegt dr. Travaglini. “chlorofyl in planten moet bijvoorbeeld elektronen tussen verschillende eiwitten verplaatsen om te kunnen fotosynthetiseren.”

Natuurlijk voorkomende bacteriën gebruiken ook geleidende filamenten, bekend als nanodraden, om elektronen over hun membranen over te brengen. Belangrijk is dat bacteriële nanodraden die elektriciteit geleiden het potentieel hebben om te interageren met biologische systemen, zoals levende cellen, en kunnen worden gebruikt bij biosensoren om interne signalen van het lichaam te monitoren met behulp van een mens-machine-interface.

Wanneer ze rechtstreeks uit bacteriën worden geëxtraheerd, zijn deze natuurlijke nanodraden echter moeilijk te modificeren en hebben ze een beperkte functionaliteit.

“Om deze beperkingen te overwinnen, hebben we een vezel genetisch gemanipuleerd met behulp van de bacterie E. coli”, zegt Dr. Travaglini. “We hebben het DNA van E. coli zo aangepast dat de bacterie niet alleen de eiwitten produceerde die hij nodig had om te overleven, maar ook het specifieke eiwit bouwde dat we hadden ontworpen, dat we vervolgens in het laboratorium hebben ontwikkeld en tot nanodraden hebben geassembleerd.”

Het team wist dat het door de bacteriën geproduceerde eiwit op zichzelf niet erg geleidend zou zijn, maar dat ze er maar één ingrediënt aan zouden moeten toevoegen.

Het ontbrekende deel van de puzzel was een heemmolecuul.

Vocht benutten om energie te creëren

Heme is een cirkelvormige structuur, bekend als een porfyrinering, met een ijzeratoom in het midden. Het is verantwoordelijk voor het transport van zuurstof in de rode bloedcellen van de longen naar de rest van het lichaam.

Recent onderzoek heeft gesuggereerd dat wanneer heemmoleculen dicht bij elkaar zijn gerangschikt, ze elektronenoverdracht mogelijk maken. Daarom integreerden Dr. Travaglini en zijn team heem in de filamenten die door de bacteriën werden geproduceerd, in het vermoeden dat de elektronen tussen heemmoleculen konden springen als ze zich dicht genoeg bij elkaar bevonden.

In het laboratorium mat het team de geleiding van de kunstmatige filamenten door een film van het materiaal over een elektrode te leggen en een elektrische potentiaal aan te leggen. “Zoals we hadden verwacht, ontdekten we dat door het toevoegen van heem aan het filament het eiwit geleidend werd, terwijl het kale filament zonder het heem geen stroom vertoonde”, zegt dr. Travaglini.

Terwijl Dr. Travaglini en Dr. Glover aanvankelijk een natuurlijk voorkomend materiaal in een geleidende draad wilden moduleren, ontdekten ze enkele verrassende resultaten.

“We hebben de geleidbaarheidstests uitgevoerd in een kamer waar je de externe omstandigheden kunt controleren”, zegt Dr. Travaglini. “We begonnen op te merken dat onder wat als 'omgevingsomstandigheden' wordt beschouwd, tussen 20% en 30% luchtvochtigheid, de elektrische stroom sterker was.”

Het team besloot meer tests uit te voeren, waarbij gebruik werd gemaakt van dikkere hoeveelheden materiaal, ingeklemd tussen twee gouden elektroden. “We hebben voorgesteld dat de vochtigheid een ladingsgradiënt over de diepte van het materiaal veroorzaakte”, zegt Dr. Travaglini. “En deze onevenwichtige lading in de hele film kan een korte stroom creëren, zonder dat er ook maar enig potentieel hoeft te worden toegepast.”

Toen ze ontdekten dat het filament reageerde op vochtigheid, creëerden ze een eenvoudige vochtigheidssensor om te meten hoe de stroom reageerde op vocht in de lucht, door simpelweg op het apparaat te ademen. “We ontdekten dat elke piek in de geleidbaarheid van de vezel overeenkwam met een uitademing”, zegt dr. Travaglini.

Een stap in de goede richting

Dit onderzoek zou de deur kunnen openen voor de mogelijkheid om elektrische apparaten te produceren die zijn gemaakt van duurzame en niet-giftige materialen die een ultralaag energieverbruik vereisen.

“De elektronica die we vaak gebruiken, wordt gecreëerd door processen die hoge temperaturen vereisen en veel energie vragen. Ze zijn niet groen en de materialen waaruit ze afkomstig zijn, kunnen giftig zijn”, zegt Dr. Travaglini. “Het gebruik van biomaterialen om elektriciteit op te wekken is veel milieuvriendelijker. We kunnen deze filamenten uit bacteriën produceren, en het is schaalbaar.”

De eigenschappen van deze eiwitassemblages zouden ook kunnen worden afgestemd door de chemische structuur van heem of de omringende omgeving van het filament te moduleren. Het team experimenteert momenteel met het integreren van verschillende porfiermoleculen om de eigenschappen van het materiaal, inclusief lichtgevoelige, te veranderen. “Dit niveau van controle is moeilijk te bereiken met natuurlijke bacteriële nanodraden, wat de veelzijdigheid en het potentieel van onze synthetische aanpak benadrukt”, zegt Dr. Travaglini.

Dr. Travaglini benadrukt dat zijn team zich nog in de beginfase van het onderzoek bevindt, en dat het nog wel even kan duren voordat we zien dat deze kunstmatige filamenten in onze dagelijkse elektronica worden gebruikt. “Het is eigenlijk een kwestie van vertalen”, zegt hij. “We weten niet hoe lang het precies gaat duren, maar we zien wel dat we de goede kant op gaan.”